vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2022-1-147-156vir-nw-1200Research ArticleИДЕНТИФИКАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ДИКИХ РОДИЧЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ПРОБЛЕМIDENTIFICATION OF THE DIVERSITY OF CULTIVATED PLANTS AND THEIR WILD RELATIVES FOR SOLVING FUNDAMENTAL AND APPLIED PROBLEMSИдентификация дублетных образцов гороха (Pisum sativum L.) в коллекции ВИРIdentification of duplicate accessions in the pea (Pisum sativum L.) collection at VIRhttps://orcid.org/0000-0002-2637-1091СеменоваЕ. В.SemenovaE. V.

Елена Викторовна Семенова, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Elena V. Semenova, Cand. Sci. (Biology), Leading researcher, Department of Genetic Resources of Legume Crops

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

e.semenova@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3829-7714ВасиповВ. В.VasipovV. V.

Владимир Вячеславович Васипов, специалист

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Valdimir V. Vasipov, Research Assistant

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

vl.vasipov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0474-8860АнисимоваИ. Н.AnisimovaI. N.

Ирина Николаевна Анисимова, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Irina N. Anisimova, Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

irina_anisimova@inbox.ruФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation2022180420221831147156Copyright © Семенова Е.В., Васипов В.В., Анисимова И.Н., 20222022Семенова Е.В., Васипов В.В., Анисимова И.Н.Semenova E.V., Vasipov V.V., Anisimova I.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/1200

Актуальность. Идентификация дублетных образцов в генетических банках семян весьма актуальна, поскольку увеличение объема коллекций за счет дублетов ведет к повышению затрат на поддержание, не расширяя уровень генетического разнообразия коллекций.Материалы и методы. Изучали 17 пар образцов гороха Pisum sativum L. из коллекции ВИР, предположительно ошибочно внесенных в постоянный каталог дважды, но имеющих один и тот же интродукционный номер, поступившие в коллекцию в 1922–1996 гг. и репродуцированные к настоящему времени от двух до 16 раз. По результатам полевой оценки для молекулярного анализа было отобрано 15 пар дублетных образцов различного направления использования. RAPD-анализ выполнен с использованием пяти праймеров серии Operon. Суммарные запасные белки семян разделяли методом электрофореза в 12,5-процентном полиакриламидном геле в присутствии β-меркаптоэтанола и додецилсульфата натрия.Результаты. Для установления идентичности или отличий образцов использовали следующие критерии: 1) сходство по морфологическим признакам (общему габитусу, окраске цветков, антоциановой пигментации цветков и вегетативных органов), срокам начала цветения; 2) идентичность или различие профилей RAPD-фрагментов; 3) идентичность или различие электрофоретических спектров запасных белков семян. На основании сравнительного анализа выявлены семь пар дублетных образцов; среди них пары к-81/к-1199, к-8331/к-8465, к-8719/к-8760, к-8757/к-8825 были полностью идентичными, а к-8464/к-8472, к-8740/к-8873, к-8689/к-8723 – гетерогенными, но преимущественно со сходными профилями RAPD-фрагментов и типами электрофоретических спектров белков семян.Заключение. Для установления идентичности коллекционных образцов гороха, выявления дублетных, гетерогенных и засоренных образцов эффективна комплексная оценка, включающая фенотипирование растений в полевых условиях, а также анализ полиморфизма амплифицированных фрагментов ДНК и компонентов электрофоретических спектров запасных белков семян.

Background. Identification of duplicates in the collections of genetic resources is the most important problem of seed gene bank management. Duplicate accessions expand the collection size, thus raising the costs of germplasm maintenance without broadening the genetic diversity.Materials and methods. The studied material included 17 pairs of Pisum sativum L. accessions from the VIR collection which presumably had been erroneously registered twice in the VIR catalogue; however, they had identical introductory numbers. The accessions entered the collection in 1922–1996 and to date they have been reproduced 2 to 16 times. After a field assessment, 15 pairs of putative duplicate accessions of various uses were selected for molecular analysis. A RAPD analysis was performed using five primers from the Operon Series. Total seed proteins were analyzed by SDS-polyacrylamide gel electrophoresis.Results. The following criteria were used to ascertain identity of the accessions or their difference: 1) similarity of morphological characters (habitus, and anthocyanin pigmentation of flowers and vegetative organs) and flowering dates; 2) identity or polymorphism of RAPD profiles; and 3) identity or difference in electrophoretic banding patterns of seed storage proteins. Seven pairs of duplicates were identified according to the results of a comparative analysis. Among them, the accessions in the pairs k-81/k-1199, k-8331/k-8645, k-8719/k-8760, and k-8757/k-8825 turned out to be completely identical, while k8464/k-8472, k-8740/k-8873, and k-8689/k-8723 were heterogenic, but had similar RAPD profiles and seed proteins patterns.Conclusions. An integrated assessment involving in-field plant phenotyping and analyzing polymorphism of amplified DNA fragments and components in electrophoretic banding patterns of seed proteins is promising for detecting identical or heterogenic accessions in genebank collections.

фенотипированиеморфологические признакиДНК-маркерыRAPD-анализзапасные белки семянэлектрофорезполиморфизмphenotypingmorphological charactersDNA markersRAPD analysisseed storage proteinselectrophoresispolymorphismработа выполнена в рамках государственного задания согласно тематическому плану ВИР по проекту № 0481-2022-0002 «Выявление возможностей генофонда бобовых культур для оптимизации их селекции и диверсификации использования в различных отраслях народного хозяйства». Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы. Авторы выражают глубокую благодарность О. О. Дзюба и А. А. Макаревич (ВИР) за помощь в выполнении анализов, Н. В. Алпатьевой, Э. Э. Егги (ВИР) и А. А. Синюшину (МГУ, Москва) за советы и ценные замечания.the research was performed within the framework of the State Task according to the theme plan of VIR, Project No 0481-2022-0002 “Identification of the possibilities of legume crop genetic diversity to optimize their breeding and diversify uses in various sectors of the national economy”. The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this work. The authors are grateful to O. O. Dzyuba and A. A. Makarevich (VIR) for their help in performing the studies. We are also grateful to N. V. Alpatieva, E. E. Eggi (VIR), and A. A. Sinyushin (Moscow State University) for their valuable advice and comments.ReferencesAndjelkovic V., Nikolic A., Kovacevic D, Mladenovic-Drinic S., Kravic N., Babic V. et al. Conserving maize in gene banks: Changes in genetic diversity revealed by morphological and SSR markers. Chilean Journal of Agricultural Research. 2018;78(1):30-38. DOI: 10.4067/S0718-58392018000100030Andjelkovic V., Nikolic A., Kovacevic D, Mladenovic-Drinic S., Kravic N., Babic V. et al. Conserving maize in gene banks: Changes in genetic diversity revealed by morphological and SSR markers. Chilean Journal of Agricultural Research. 2018;78(1):30-38. DOI: 10.4067/S0718-58392018000100030Анисимова И.Н., Алпатьева Н.В., Абдуллаев Р.А., Карабицина Ю.И., Кузнецова Е.Б. Cкрининг генетических ресурсов растений с использованием ДНК-маркеров: основные принципы, выделение ДНК, постановка ПЦР, электрофорез в агарозном геле (методические указания). Санкт-Петербург: ВИР; 2018.Anisimova I.N., Alpatyeva N.V., Abdullaev R.A., Karabitsina Yu.I., Kuznetsova E.B. Screening of plant genetic resources with the use of DNA markers: basic principles, DNA isolation, PCR setup, agarose gel electrophoresis: (Guidelines). St. Petersburg: VIR; 2018. [in Russian].Bobkov S.V., Lazareva T.N. Band composition of electrophoretic spectra of storage proteins in interspecific pea hybrids. Russian Journal of Genetics. 2012;48(1):47-52. DOI: 10.1134/S1022795411110068Bobkov S.V., Lazareva T.N. Band composition of electrophoretic spectra of storage proteins in interspecific pea hybrids. Russian Journal of Genetics. 2012;48(1):47-52. DOI: 10.1134/S1022795411110068Егги Э.Э. Электрофорез белков семян для сортовой идентификации высокополиморфных культур на примере козлятника восточного (Galega orientalis Lam.). Аграрная Россия. 2015;(11):14-20.Eggy E.E. Electrophoresis of seed proteins for the cultivar identification of high polimorphing crops on the example of Eastern galega (Galega orientalis Lam.). Agrarian Russia. 2015;(11):14-20. [in Russian]Konarev A.V., Vvedenskaya I.O., Nasonova E.A., Perchuk I.N. Use of prolamine polymorphism in studying genetic resources of forage grasses. Genetic Resources and Crop Evolution. 1995;42(13):197-209. DOI: 10.1007/bf02431253Konarev A.V., Vvedenskaya I.O., Nasonova E.A., Perchuk I.N. Use of prolamine polymorphism in studying genetic resources of forage grasses. Genetic Resources and Crop Evolution. 1995;42(13):197-209. DOI: 10.1007/bf02431253Идентификация сортов и регистрация генофонда культурных растений по белкам семян / под ред. В.Г. Конарева. Санкт-Петербург: ВИР; 2000.Konarev V.G. (ed.). Identification of varieties and registration of crop genetic diversity according to seed proteins (Identifikatsiya sortov i registratsiya genofonda kulturnykh rasteniy po belkam semyan). St. Petersburg: VIR; 2000. [in Russian]Laemmli U.K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 1970;227(5259):680-685. DOI: 10.1038/227680a0Laemmli U.K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 1970;227(5259):680-685. DOI: 10.1038/227680a0Lund B., Ortiz R., Skovgaard I.M., Waugh R., Andersen S.B. Analysis of potential duplicates in barley gene bank collections using re-sampling of microsatellite data. Theoretical and Applied Genetics. 2003;106(6):1129-1138. DOI: 10.1007/s00122-002-1130-yLund B., Ortiz R., Skovgaard I.M., Waugh R., Andersen S.B. Analysis of potential duplicates in barley gene bank collections using re-sampling of microsatellite data. Theoretical and Applied Genetics. 2003;106(6):1129-1138. DOI: 10.1007/s00122-002-1130-yMcCouch S.R., McNally K.L., Wang W., Hamilton R.S. Geno mics of gene banks: A case study in rice. American Journal of Botany. 2012;99(2):407-423. DOI: 10.3732/ajb.1100385McCouch S.R., McNally K.L., Wang W., Hamilton R.S. Geno mics of gene banks: A case study in rice. American Journal of Botany. 2012;99(2):407-423. DOI: 10.3732/ajb.1100385Naik V.G., Dandin S.B. Identification of duplicate collections in the mulberry (Morus spp.) germplasm using RAPD analysis. The Indian Journal of Genetics and Plant Breeding. 2006;66(4):287-292.Naik V.G., Dandin S.B. Identification of duplicate collections in the mulberry (Morus spp.) germplasm using RAPD analysis. The Indian Journal of Genetics and Plant Breeding. 2006;66(4):287-292.Palmé A.E., Hagenblad J., Solberg S.Ø., Aloisi K., Artemyeva A. SNP markers and evaluation of duplicate holdings of Brassica oleracea in two European genebanks. Plants. 2020;9(8):925. DOI: 10.3390/plants9080925Palmé A.E., Hagenblad J., Solberg S.Ø., Aloisi K., Artemyeva A. SNP markers and evaluation of duplicate holdings of Brassica oleracea in two European genebanks. Plants. 2020;9(8):925. DOI: 10.3390/plants9080925Перчук И.Н., Конарев А.В., Лоскутов И.Г., Блинова Е.В., Новикова Л.Ю., Хорева В.И., Колодинска-Брантестам А. Белковые маркеры, морфологические и селекционные признаки в идентификации дублетных образцов культурного овса в коллекциях ВИР (Россия) и Нордического генного банка (Nordgen, Швеция). Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2016;177(3):82-93. DOI: 10.30901/2227-8834-2016-3-82-93Perchuk I.N., Konarev A.V., Loskutov I.G., Blinova E.V., Novikova L.Y., Horeva V.I., Kolodinska-Brantestam A. Protein markers, morphological and breeding-oriented characters in duplicate accession identification in the VIR (Russia) and Nordgen (Sweden) cultivated oat collections. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2016;177(3):82-93. [in Russian] DOI: 10.30901/2227-8834-2016-3-82-93Podyma W. Rye genetic resources in Europe. Plant Breeding and Seed Science. 2003;48(2/2):37-44.Podyma W. Rye genetic resources in Europe. Plant Breeding and Seed Science. 2003;48(2/2):37-44.Поморцев А.А., Лялина Е.В. Лабораторный контроль сортовой принадлежности и сортовой чистоты партий семян и товарного зерна пивоваренного ячменя. Зерновое хозяйство России. 2009;(6):29-39.Pomortsev A.A., Lyalina E.V. Laboratory control of variety and variety purity of seeds and brewing barley commodity grain. Grain Economy of Russia. 2009;(6):29-39. [in Russian].Sidorova V.V., Kerv Yu.A., Konarev A.V. Identification of duplicate accessions in the sweet maize collection by means of zein electrophoresis. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020;24(6):589-597. DOI: 10.18699/VJ20.652Sidorova V.V., Kerv Yu.A., Konarev A.V. Identification of duplicate accessions in the sweet maize collection by means of zein electrophoresis. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020;24(6):589-597. DOI: 10.18699/VJ20.652Singh N., Wu S., Raupp W.J., Sehgal S., Arora S., Tiwari V. et al. Efficient curation of genebanks using next generation sequencing reveals substantial duplication of germplasm accessions. Scientific Reports. 2019;9(1):650. DOI: 10.1038/s41598-018-37269-0Singh N., Wu S., Raupp W.J., Sehgal S., Arora S., Tiwari V. et al. Efficient curation of genebanks using next generation sequencing reveals substantial duplication of germplasm accessions. Scientific Reports. 2019;9(1):650. DOI: 10.1038/s41598-018-37269-0Sisko M. Identification of hypothetical duplicate accessions of plums (Prunus domestica L.) within the Slovene plant gene bank collection using molecular markers. Agricultura. 2016;13(1-2):57-64. DOI: 10.1515/agricultura-2017-0007Sisko M. Identification of hypothetical duplicate accessions of plums (Prunus domestica L.) within the Slovene plant gene bank collection using molecular markers. Agricultura. 2016;13(1-2):57-64. DOI: 10.1515/agricultura-2017-0007Sochor M., Jemelková M., Doležalová I. Phenotyping and SSR markers as a tool for identification of duplicates in lettuce germplasm. Czech Journal of Genetics and Plant Breeding. 2019;55(3):110-119. DOI: 10.17221/68/2018-CJGPBSochor M., Jemelková M., Doležalová I. Phenotyping and SSR markers as a tool for identification of duplicates in lettuce germplasm. Czech Journal of Genetics and Plant Breeding. 2019;55(3):110-119. DOI: 10.17221/68/2018-CJGPBVan Hintum T.J.L., Knüpffer H. Duplication within and between germplasm collections: I. Identifying duplication on the basis of passport data. Genetic Resources and Crop Evolution. 1995;42(2):127-133. DOI: 10.1007/BF02539516Van Hintum T.J.L., Knüpffer H. Duplication within and between germplasm collections: I. Identifying duplication on the basis of passport data. Genetic Resources and Crop Evolution. 1995;42(2):127-133. DOI: 10.1007/BF02539516Van Treuren R., de Groot E.C., Boukema I.W., van de Wiel, van Hintum Th.J.L. Marker-assisted reduction of redundancy in a genebank collection of cultivated lettuce. Plant Genetic Resources. 2010;8(2):95-105. DOI: 10.1017/S1479262109990220Van Treuren R., de Groot E.C., Boukema I.W., van de Wiel, van Hintum Th.J.L. Marker-assisted reduction of redundancy in a genebank collection of cultivated lettuce. Plant Genetic Resources. 2010;8(2):95-105. DOI: 10.1017/S1479262109990220Virk P.S., Newbury H.J., Jackson M.T., Ford-Lloyd B.V. The identification of duplicate accessions within a rice germplasm collection using RAPD analysis. Theoretical and Applied Genetics. 1995;90(7-8):1049-1055. DOI: 10.1007/BF00222920Virk P.S., Newbury H.J., Jackson M.T., Ford-Lloyd B.V. The identification of duplicate accessions within a rice germplasm collection using RAPD analysis. Theoretical and Applied Genetics. 1995;90(7-8):1049-1055. DOI: 10.1007/BF00222920Вишнякова М.А., Буравцева Т.В., Булынцев С.В., Бурляева М.О., Семенова Е.В., Сеферова И.В., Александрова Т.Г., Яньков И.И., Егорова Г.П., Герасимова Т.В., Другова Е.В. Коллекция мировых генетических ресурсов зерновых бобовых ВИР: пополнение, сохранение и изучение. Методические указания. Санкт-Петербург: ВИР; 2010.Vishnyakova M.A., Buravtseva T.V., Bulyntsev S.V., Burlyaeva M.O., Semenova E.V., Seferova I.V., Aleksandrova T.G., Yankov I.I., Egorova G.P, Gerasimova T.V., Drugova E.V. The VIR global collection of grain legume crop genetic resources: replenishment, conservation and studying. Methodological guidelines (Kollektsiya mirovykh geneticheskikh resursov zernovykh bobovykh VIR: popolneniye, sokhraneniye i izucheniye. Metodicheskiye ukazaniya). St. Petersburg: VIR; 2010. [in Russian]Индгаард Ф., Лоскутов И.Г., Солберг С.О., Ковалева О.Н., Колодинска-Брантестам А., Свенссон Я.Т. Низкозатратный метод для определения дублетов коллекции в генных банках. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2016;177(4):18-27. DOI: 10.30901/2227-8834-2016-4-18-27Yndgaard F, Loskutov I.G., Solberg S.O., Kovaleva O.N., Kolodinska-Brantestam A., Svensson J.T. A low-cost method for the detection of duplicate holdings among genebank accessions. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2016;177(4):18-27. [in Russian] DOI: 10.30901/2227-8834-2016-4-18-27

The authors declare that there are no conflicts of interest present.